СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ЗАБОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

Изобретение относится к области бурения горизонтальных скважин с большим смещением забоя относительно устья и предназначено для использования в случаях, когда вертикальная составляющая веса колонны труб недостаточна для обеспечения технологически требуемой (или, как вариант, экономически обоснованной) величины осевой нагрузки на долото.

Известен классический способ создания осевой нагрузки на забой (Гилязов P.M., Рамазанов Г.С., Янтурин А.Ш. Технология строительства скважин с боковыми стволами. - Уфа: Монография, 2002. - 290 с.), связанный с периодической разгрузкой части веса растянутой части колонны на породоразрушающий инструмент (импульсами периодической подачи с величиной амплитуды ↓ΔQ) путем последовательного периодического опускания бурильной колонны, по мере разрушения долотом породы.

Недостатком данного способа является следующее. При бурении горизонтальной скважины с достаточно большим смещением забоя относительно устья разница между продольной составляющей собственного веса колонны, используемой для создания осевой нагрузки на долото, и силами трения колонны (от поперечной составляющей веса) о стенки ствола постоянно уменьшается, стремясь к нулю, и даже может стать отрицательной величиной. В этом случае осевая нагрузка перестанет «доходить» до забоя, в результате чего последующее бурение становится невозможным.

Известен и принят за прототип способ создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины и устройство для его осуществления [Патент РФ №2006563 C1, E21B 10/00], включающий создание осевой нагрузки на долото гидроцилиндром при неподвижной бурильной колонне, разгружение породы долотом, периодическую подачу импульсами бурового инструмента на забой по мере разрушения породы. Однако этот способ, как и предыдущий и по аналогичной же причине, также становится неудовлетворительным для горизонтальных скважин в случаях, когда силы трения колонны о стенки ствола превышают, на какую-то определенную величину, продольную составляющую веса колонны. И, кроме того, не позволяет использовать для увеличения нагрузки на долото синхронное импульсам разгрузки периодическое управление направлением силами трения на горизонтальном интервале ствола (в т.ч. и при кратковременном прекращении подачи промывочной жидкости в скважину), что ограничивает его эффективность.

Задачей изобретения является повышение эффективности бурения длинного горизонтального интервала ствола за счет еще большего (по сравнению с прототипом) увеличения осевой нагрузки на долото, путем периодического управления направлением сил трения на горизонтальном интервале ствола (в т.ч. и при кратковременном прекращении подачи промывочной жидкости в скважину).

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе создания осевой нагрузки на долото, включающем создание осевой нагрузки на долото силовым гидроцилиндром при неподвижной бурильной колонне, разгружение породы долотом, периодическую подачу импульсами бурового инструмента на забой по мере разрушения породы, согласно предлагаемому изобретению ближний к устью скважины силовой гидроцилиндр дополнительно снабжен демпфирующим элементом одностороннего действия и установлен в сжатой части колонны с интервалом размещения от нейтрального сечения, на котором силы трения о стенки ствола меньше величины импульсов разгрузки части веса растянутой части колонны на забой. Кроме того, последующие силовые гидроцилиндры устанавливают, при необходимости увеличения длины горизонтального ствола, с интервалами, на которых силы трения о стенки скважины меньше величин импульсов разгрузки части веса растянутой части колонны на забой.

Сущность способа создания осевой нагрузки на забой заключается в использовании для дополнительной осевой сжимающей нагрузки на долото одного или нескольких силовых гидроцилиндров, увеличивающих, за счет перепада давления в бурильной колонне и в кольцевом пространстве, и изменяющих осевую нагрузку в местах размещения гидроцилиндров. А периодическую разгрузку части веса растянутой части колонны на забой, с целью увеличения нагрузки на долото и, соответственно, повышения эффективности бурения и увеличения горизонтального интервала ствола, осуществляют по мере заглубления долота в породу с помощью тормоза буровой лебедки или забойного механизма подачи долота, импульсами периодической подачи с величиной амплитуды осевой нагрузки ↓ΔQ.

При этом, для обеспечения быстрого перемещения поршня гидроцилиндра из корпуса в момент подачи импульса осевой нагрузки и замедленного в процессе последующего заглубления долота в породу (в процессе бурения) гидроцилиндр дополнительно снабжен демпфирующим элементом одностороннего действия.

Известны различные способы увеличения нагрузки на забой при бурении горизонтальных скважин или боковых отклонений стволов скважин с большими отклонениями забоя относительно устья, в т.ч.:

- применение различных нагрузочных устройств, например многоступенчатых длинноходовых наддолотных гидроцилиндров, обеспечивающих дополнительное статическое прижатие долота к забою скважины;

- использование специальных поверхностных нагрузочных устройств (распространено для бурения боковых ответвлений стволов скважин с использованием гибких колонн);

- установка в растянутой части колонны, на отдельных интервалах ствола скважины, УБТ, толстостенных труб (ТБТ) и др.

Во всех этих случаях эффективное разрушение породы в горизонтальных, восстающих и сильно наклонных скважинах ограничивается длиной горизонтального или наклонного участка ствола.

На фиг.1 представлена схема для увеличения нагрузки на забой скважины при установке силового гидроцилиндра на расстоянии L_Гв от начала горизонтального интервала ствола скважины (с осевой нагрузкой Р₂).

На фиг.2 - схема к расчету влияния многоступенчатого гидроцилиндра на увеличение осевой нагрузки на забой скважины: а) без гидроцилиндра, после очередного импульса разгрузки веса колонны; б) с гидроцилиндром; в) то же при бурении вдоль плоскости напластования пород.

На фиг.3 - кинематическая схема секции гидроцилиндра с демпфирующим элементом одностороннего действия, где показаны позициями 1 - калиброванная щель демпфирующего элемента и 2 - обратный клапан.

Предлагаемый способ заключатся в дополнительном увеличении осевой нагрузки на забой скважины за счет установки на горизонтальном участке ствола (фиг.1) на расстоянии L_ГG=L_Гн-L_G от направляющего участка бурильной колонны (КНБК) и L_Гв=L_Г-L_Гн от сечения с осевой нагрузкой Р₂ многоступенчатого силового гидроцилиндра. Количество ступеней должно обеспечивать требуемое изменение осевой нагрузки в месте установки гидроцилиндра. Поршни гидроцилиндра сочленены с нижележащей частью бурильной колонны. Отличительной особенностью гидроцилиндра, например, по фиг.3 является замедленное движение поршней относительно цилиндра в процессе заглубления долота в породу. В противоположном направлении поршень имеет ускоренное перемещение относительно корпуса гидроцилиндра. Сокращение длины гидроцилиндра осуществляется периодическими импульсами разгрузки части веса колонны на забой тормозом лебедки, величины которых превышают силы трения колонны о стенки интервала ствола скважины, расположенного между верхним гидроцилиндром и устьем.

Согласно, например, работы [Гилязов P.M., Рамазанов Г.С., Янтурин А.Ш. Технология строительства скважин с боковыми стволами. - Уфа: Монография, 2002. - 290 с.] при бурении минимальная осевая нагрузка на забой скважины с большой величиной зенитного угла α_г (в частном случае, горизонтальной) или бокового ответвления ствола в случае отсутствия гидроцилиндра может быть определена из выражения (см. фиг.1)

Здесь q_г - вес единицы длины труб в жидкости, расположенных на горизонтальном интервале ствола с величиной зенитного угла α_г; q_в и q_нб - то же, для труб, на интервалах вертикальном и набора зенитного угла скважины.

При установке гидроцилиндра нагрузка на забой будет характеризоваться уже не выражением (1): а формулой:

Определяя алгебраическим вычитанием разницу между нагрузками, характеризуемыми формулами (1) и (2), находим, что реализация способа позволяет в рассматриваемой горизонтальной скважине увеличить нагрузку на долото (как вариант, на какие-либо другие типы исполнительных механизмов) на величину

Использование многоступенчатых гидроцилиндров для увеличения нагрузки на забой за счет управления направлением сил трения колонны о стенки скважины целесообразно в случаях, когда бурение длинных горизонтальных стволов скважин (в более общем случае, с большим смещением забоя относительно устья) ограничивается недостаточным собственным весом колонны, необходимым для создания технологически требуемой величины осевой нагрузки на долото. В этих случаях механическая скорость бурения резко снижается. А, например, для колонн гибких труб даже использование наземных нагружающих устройств, из-за больших потерь осевой нагрузки на трение, может оказаться недостаточным.

Еще более проблема обостряется при бурении восстающих скважин (фиг.2, в), направленных в зависимости от условий разработки месторождения, в частности, или вверх вдоль плоскости напластования пород, или вверх под небольшим углом к плоскости напластования. В последнем случае обеспечивается нейтрализация анизотропности пород по проницаемости, которая имеет относительно меньшую величину в направлении нормали к плоскости напластования.

И, действительно, при периодической разгрузке, тормозом лебедки, части веса растянутой части колонны на забой на какую-то величину ↓ΔQ осевая нагрузка на забой периодически восстанавливается. На границе между нижним интервалом набора зенитного угла и горизонтальным, длиной L_Г (см. фиг.2, а), осевая нагрузка соответствует разности Σ(q_i l_i cosα_I-Δр_i(µ)) сумм продольных составляющих сил собственного веса Σq_i l_i cosα_I и сил сопротивления продольному перемещению колонны ΣΔр_i(µ) (в т.ч., сил трения). По мере удлинения горизонтального интервала ствола силы трения колонны (от поперечной составляющей веса труб) о стенки скважины возрастают. В результате, нейтральное сечение (где осевая нагрузка Р=0) постепенно перемещается в направлении забоя скважины и нагрузка на долото Р_Д, соответственно, уменьшается и последующее углубление ствола (бурение скважины) становится экономически нецелесообразным.

При установке одного или нескольких многоступенчатых гидроцилиндров в расчетных местах колонны часть сил трения колонны используется для увеличения или (при определенных условиях) создания требуемой осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Например, по схеме (на фиг.2) осевая нагрузка на долото может быть увеличена на силу Р_ГЦ, создаваемую гидроцилиндром. Количество секций и места размещения гидроцилиндров по длине колонны меняются по мере удлинения горизонтального интервала ствола и подбираются по очевидным расчета. Первоначально, гидроцилиндр может устанавливаться, как вариант, непосредственно над долотом (или КНБК), а затем по мере последующего бурения, когда импульсы ↓ΔQ не «смогут» преодолевать силы трения колонны о стенки ствола на участке, расположенном выше гидроцилиндра, периодически перемещаться в направлении устья скважины. При недостаточной эффективности количество используемых гидроцилиндров увеличивается. Отличительными особенностями кинематической схемы одной секции гидроцилиндра (фиг.3) от забойных автоматов подачи нагрузки на долото являются:

- отсутствие необходимости «в зацеплении» со стенками ствола в скважине и, соответственно, упрощение конструкции (поскольку увеличение нагрузки на долото обеспечивается за счет изменения направления сил трения на отдельных участках колонны);

- наличие калиброванной щели между поршнями и цилиндром (как вариант, специальных демпфирующих каналов в самих поршнях) для ограничения времени полного перемещения поршней относительно цилиндра (при необходимости, до нескольких часов);

- односторонность демпфирования за счет использования дополнительного использования тех или иных конструкций обратных клапанов.

Односторонность демпфирования обеспечивает полное восстановление исходного положения поршней относительно корпуса цилиндра после каждого очередного импульса разгрузки части веса растянутой части колонны на забой тормозом лебедки. По мере последующего заглубления долота в породу нагрузка на забой поддерживается за счет сил трения части колонны о стенки ствола, до полного выдвижения поршней из цилиндра. Скорость выдвижения регулируется перед спуском инструмента в скважину.

Выдвижение поршней осуществляется за счет перепада давления внутри колонны и в кольцевом пространстве. Полости над поршнями (со стороны устья скважины) сообщаются с внутриколонной полостью, с противоположной стороны - с кольцевым пространством. Как вариант, возможно и использование гидроцилиндров с полным заполнением их промышленными маслами (например, автолом).

При определенной, какой-то «граничной» (для выбранного места установки гидроцилиндра), величине проходки на долото механическая скорость бурения может замедлиться. В этом случае, очередные импульсы разгрузки части веса растянутой части колонны на забой можно осуществлять, как вариант, при кратковременном прекращении подачи промывочной жидкости в скважину. Причем, величина импульса подачи ↓ΔQ должна обеспечивать преодоление сил трения о стенки скважины участка колонны, расположенного между верхним гидроцилиндром и устьем скважины.

Таким образом, использование гидроцилиндров по схеме на фиг.3 обеспечивает:

- увеличение длины горизонтального (или, в большей мере, «восстающего») интервала ствола скважины;

- рост механической скорости бурения и, соответственно, снижение стоимости строительства горизонтальных скважин;

- (за счет роста скоростей бурения и сопутствующего снижения количества спускоподъемных операций) уменьшение глубины проникновения инфильтрата промывочной жидкости в прискважинную зону пласта, с сопутствующим ростом дебита скважины в процессе ее последующей эксплуатации.

Следует также отметить, что рассмотренный способ увеличения осевой нагрузки на забой за счет использования сил трения колонны о стенки скважины наиболее эффективен в случаях:

- недостаточной эффективности установки УБТ на верхних, близких к вертикальным интервалах ствола горизонтальной скважины (наблюдалось, в частности, в горизонтальной скважине 1-ЭС Лемезинской площади в Башкирии с длиной вертикального интервала - 480 м, а горизонтального - свыше 700 м);

- при неэффективности известных устройств подачи долота;

- при бурении сверхглубоких скважин (например, в Кольской сверхглубокой скважине СГ-3 наблюдались случаи подъема на поверхность, практически, «не работавшего на забое» долота;

- при проводке горизонтальной части ствола скважины длиной свыше 300…400 м

При установке в секциях многоступенчатого гидроцилиндра дросселирующих устройств, срабатывающих при определенном перепаде давления между полостями над и под поршнями, возможно автоматическое регулирование режима работы забойного двигателя. Дополнительное управление работой (характеристикой) гидроцилиндра по фиг.3 (например, при изменении твердости пород в процессе одного долбления) с поверхности может осуществляться:

- изменением заданных перепадов давления на дросселирующих элементах (сообщающих полости над и под поршнями) с поверхности: путем подачи импульсов давления;

- отрывом долота от забоя, без прекращения подачи промывочной жидкости в течение определенного периода времени - для срабатывания управляющего демпфирующего элемента;

- автоматически, при изменении момента вращения на забойном двигателе, числа оборотов двигателя и др.

Аналогичными способами, автоматически срабатывающим сообщением в отдельных ступенях полостей высокого давления с заколонным пространством возможно и отключение этих ступеней при изменении тех или иных параметров режима бурения.